Convertisseur d`entrée sous caténaire monophasée

Convertisseur d’entrée sous caténaire monophasée
En Europe, les deux types de réseaux d’alimentation en tension monophasée sont :
•
•
25 kV à 50 Hz (France, Danemark, Espagne, Luxembourg...) ;
15 kV à 16 2/3 Hz (Allemagne, Autriche, Suisse...).
Pour adapter cette tension à l’intérieur de l’engin de traction, on distingue deux types de ponts redresseurs :
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•
pont monophasé à commutation naturelle ;
pont monophasé à commutation forcée.
La commutation du courant entre les semiconducteurs est appelée « commutation naturelle » lorsqu’elle s’effectue
au moyen de la tension du réseau d’alimentation. Les semiconducteurs utilisés sont les diodes et les thyristors
classiques.
La commutation du courant entre les semiconducteurs est appelée « commutation forcée » lorsqu’elle s’effectue au
moyen d’un « circuit extérieur » comprenant un condensateur et, éventuellement, d’autres semiconducteurs (diodes et
thyristors) pour bloquer un thyristor classique. Rappelons que le blocage du thyristor GTO est aussi assuré par un
condensateur, mais de faible valeur (4 à 6 µF).
Les caractéristiques technologiques des semiconducteurs de puissance ainsi que les performances de traction
demandées conduisent à une tension d’alimentation monophasée des convertisseurs d’entrée de l’ordre de 2 kV
environ. Cette tension s’obtient par l’intermédiaire d’un transformateur principal qui assure en même temps
l’isolement galvanique du circuit de puissance par rapport à la caténaire.
4.1 Pont monophasé à commutation naturelle
A ce jour, ce type de pont équipe les engins de traction du réseau SNCF 25 kV à 50 Hz.
Leur motorisation est constituée par des moteurs à courant continu (locomotive BB 15000 et BB 22200, TGVPSE...), des moteurs asynchrones (automotrices Z 20500) et des moteurs synchrones (locomotive BB 26000, TGVAtlantique, TGV-Réseau, TGV-Thalys...).
La caractéristique commune à tous ces types de moteurs de traction est le principe d’alimentation à courant imposé .
Parmi les trois types de ponts redresseurs monophasés (pont de diodes, pont mixte et pont complet), seuls le pont
mixte et le pont complet sont généralement utilisés en traction ferroviaire car ils permettent le réglage continu de la
puissance de transfert. Comme la très grande partie des engins de traction du réseau monophasé SNCF n’est pas
prévue pour le freinage par récupération d’énergie à la source, il s’ensuit que le pont mixte est le convertisseur le plus
utilisé en traction. En outre, le pont mixte est plus intéressant en termes de facteur de puissance.
Les caractéristiques de ces ponts redresseurs étant connues, on se limite à leur spécificité dans le domaine ferroviaire.
4.1.1 Facteur de puissance
La qualité du facteur de puissance constitue un paramètre très important du point de vue énergétique. La définition du
facteur de puissance du train correspond au rapport entre la puissance active et la puissance apparente absorbées à la
caténaire.
Comme la puissance de court-circuit des sous-stations de traction du réseau monophasé SNCF est généralement
grande par rapport à la puissance apparente absorbée par les trains, nous pouvons en première approximation
considérer la tension caténaire comme parfaitement sinusoïdale. Avec cette approche du problème, l’expression du
facteur de puissance , défini au pantographe de l’engin de traction, s’écrit :
avec
F
facteur de puissance au pantographe
p
F
d
F
i
facteur de déplacement ou cos ϕ (ϕ est le déphasage entre les ondes fondamentales de la
tension et du courant au pantographe)
facteur de forme du courant ; cette grandeur correspond au rapport entre la valeur efficace de
l’onde fondamentale du courant au pantographe et sa valeur efficace totale
Cette expression du facteur de puissance fait apparaître indépendamment :
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•
la consommation de la puissance réactive caractérisée par F d ;
l’importance des courants harmoniques caractérisée par F i .
Pour la comparaison théorique du facteur de puissance obtenu avec les deux types de ponts redresseurs (mixte et
complet), nous posons les hypothèses suivantes :
•
•
•
le courant moteur est parfaitement lissé grâce à la valeur de l’inductance de lissage ;
le transformateur est idéalisé (on néglige son inductance de fuite et sa résistance) ;
les pertes dans le pont redresseur sont négligeables.
Dans la plage de réglage du convertisseur, le pont mixte présente un meilleur facteur de puissance que celui obtenu par
le pont complet (figure 8 ).
Figure 8 - Caractéristiques théoriques du facteur de puissance
Si l’engin de traction doit assurer le freinage par récupération d’énergie sur le réseau d’alimentation, il est judicieux de
faire fonctionner le pont complet en pont mixte pendant le fonctionnement en traction. Dans le cas contraire, il est
préférable d’équiper les engins de traction de ponts mixtes, ce qui constitue le choix de la SNCF.
Les engins de traction récents de la SNCF, plus particulièrement les TGV dotés d’une motorisation synchrone, sont
équipés de deux ponts mixtes associés en série par bogie moteur.
Chaque pont mixte est alimenté indépendamment par un secondaire du transformateur. Les commandes de ces deux
ponts mixtes sont respectivement décalées , ce qui améliore le facteur de puissance du côté primaire du
transformateur. En ce qui concerne la commande décalée, on augmente progressivement le taux de conduction du 1er
pont mixte, tout en maintenant le 2e pont mixte en conduction minimale. Lorsque le taux de conduction du 1er pont
mixte atteint sa valeur maximale, on augmente alors progressivement celui du 2e pont mixte. En pratique, on effectue
un chevauchement entre ces deux commandes à cause d’un problème de stabilité de la régulation.
La figure 8 montre l’évolution théorique du facteur de puissance F p pendant le déblocage du pont redresseur dans les
trois cas suivants : un pont complet, un pont mixte et deux ponts mixtes en série avec commande décalée.
Pendant la phase de déblocage , les deux ponts mixtes en série avec commande décalée présentent relativement aux
deux autres types de ponts une meilleure qualité du facteur de puissance. Il en est de même pour le pont mixte par
rapport au pont complet. Au déblocage total, le pont mixte et le pont complet se comportent comme le pont de diodes
et, pour ce point de fonctionnement, le facteur de puissance théorique est de 0,9 imposé uniquement par le facteur de
forme du courant.
Ø Figure 8 - Caractéristiques théoriques du facteur de puissance
En pratique, nous devons faire intervenir l’inductance de fuite du transformateur car elle joue un double rôle :
•
•
elle diminue le facteur de déplacement F d au déblocage total du pont ;
elle améliore le facteur de forme F i du courant, car elle réduit la vitesse de croissance du courant (di /dt )
pendant la commutation.
Ces deux actions conduisent à un facteur de puissance mesuré au pantographe de l’ordre de 0,82 à la puissance
nominale, au lieu de 0,9 (valeur théorique).
4.1.2 Tension moyenne maximale redressée
Pour déterminer la tension à vide au secondaire du transformateur, il faut calculer la tension moyenne maximale
redressée à la puissance nominale de la caractéristique effort-vitesse.
Une méthode analytique utilisée à la SNCF consiste à analyser la commutation du courant entre les semiconducteurs,
en tenant compte de l’inductance équivalente de l’alimentation ramenée au secondaire du transformateur. Comme ces
redresseurs sont utilisés en générateur de courant, on simplifie l’équation régissant la commutation en considérant le
courant continu constant et en négligeant la résistance équivalente de l’alimentation ramenée au secondaire. Par contre,
la chute de tension dans cette résistance équivalente est prise en compte pendant le débit du pont redresseur vers la
charge.
En fonction de ces hypothèses, la tension moyenne maximale redressée U do s’écrit :
en
posant
U so
tension efficace à vide au secondaire du transformateur
w
pulsation du réseau monophasé d’alimentation
I
courant continu redressé (supposé constant)
rs ,
résistance et inductance de fuite équivalentes ramenées au secondaire du
transformateur
µ
angle de commutation lorsque le pont est totalement débloqué
T
Cette expression est analogue pour les différents types de ponts redresseurs.